專利名稱：信號處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于處理經(jīng)由連接傳輸?shù)牟⑶矣蓴?shù)字接ロ接收的信號的方法，以及涉及這樣的數(shù)字接ロ。
背景技術(shù)：
已知結(jié)合諸如ISDN、以太網(wǎng)、DSL的確定的傳輸方法或者傳輸標(biāo)準(zhǔn)使用修正器。但是這些傳輸方法規(guī)定借助發(fā)送的信號連續(xù)地傳輸數(shù)據(jù)或者信息。然而在例如在機動車中結(jié)合專門的數(shù)字接ロ應(yīng)用的所謂的突發(fā)傳輸?shù)那闆r下，不規(guī)定數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸。特別在汽車技術(shù)中關(guān)于消耗效率、有害物質(zhì)排放最小化和安全性的要求持續(xù)地增長。這導(dǎo)致必須在傳感器或者執(zhí)行器和控制設(shè)備、即中央控制器之間越來越快地傳輸越來越大的數(shù)據(jù)量。表明的是，這只有通過引入新的數(shù)字接口才可能，利用所述新的數(shù)字接ロ能夠快速并且可靠地傳輸高數(shù)據(jù)速率。在此要注意，較高數(shù)據(jù)速率的傳輸需要把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制到比在過去為在傳感器和控制設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸所使用的頻率更高的傳輸頻率上。 以高的位速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母毙?yīng)是，與這當(dāng)在較低頻率范圍中傳輸時的情況相比，強烈得多地使被調(diào)制的信號失真。信號的失真能夠?qū)е嘛@著提高被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的位誤差率。該信道失真基本上可以通過在接收器處的修正器補償。在此情況下，自適應(yīng)濾波器自動地匹配于未知的或者變化的信道環(huán)境。這種自適應(yīng)修正器當(dāng)今在數(shù)字通信技術(shù)的許多領(lǐng)域中使用。下面要介紹的新的修正器結(jié)構(gòu)使得能夠在通過在汽車技術(shù)中引入的新的數(shù)字接口和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下既顯著減小誤差率，又把數(shù)據(jù)傳輸速率提高多倍。由于在汽車領(lǐng)域中數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶厣?，對于在汽車領(lǐng)域中的數(shù)字傳輸系統(tǒng)中使用，與從文獻(xiàn)和實踐中所知的修正器結(jié)構(gòu)相比，必須對修正器概念進(jìn)行相當(dāng)很多改變。中期，修正器在汽車技術(shù)中在高位速率的傳輸系統(tǒng)中的使用是不可避免的，因為諸如較低數(shù)據(jù)速率、較短傳輸線路或者使用高度準(zhǔn)確的和從而昂貴的器件的替代方案帶來顯著的缺點。此外在汽車技術(shù)中在傳動系和在底盤區(qū)域內(nèi)使用根據(jù)CAN標(biāo)準(zhǔn)、SENT標(biāo)準(zhǔn)和PSI5 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字接ロ。PSI5 (PSI !Peripheral Sensor Interface (外圍傳感器接 ロ))是用于傳感器的數(shù)字接ロ，該數(shù)字接ロ作為電流接ロ基于雙線線路，并且被用于將所擴(kuò)張(ausgelagert)的傳感器連接到電子控制設(shè)備上。在這些新的數(shù)字傳輸方法中特別對于PSI5技術(shù)而言信道失真的影響具有大的意義，因為信道失真的結(jié)果限制可能的線路長度、數(shù)據(jù)速率和總線拓?fù)浠蛘邔?dǎo)致高的位誤差率。

發(fā)明內(nèi)容
以此為背景介紹ー種具有權(quán)利要求I的特征的方法和根據(jù)權(quán)利要求6的數(shù)字接ロ。擴(kuò)展方案從從屬權(quán)利要求中和說明書中得出。
因此介紹一種為在例如在汽車技術(shù)中使用的數(shù)字接口中應(yīng)用的新的修正器類型。下面說明與已知的修正器概念的區(qū)別。所介紹的方法既可以在電流調(diào)制的傳輸情況下也可以在電壓調(diào)制的傳輸情況下使用。本發(fā)明的其他優(yōu)點和擴(kuò)展方案從說明書和附圖中得出。不言而喻，上述的以及還要在下面闡述的特征不僅可以以 分別給出的組合的方式、而且還可以以其他組合的方式或者単獨地使用，而不偏離本發(fā)明的范圍。


圖I示出用于電流調(diào)制的數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)。圖2示出PSI5數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間曲線控制設(shè)備側(cè)以固定的間隔發(fā)送電壓脈沖作為同步信號。在由此預(yù)先給定的時間間隔內(nèi)，傳感器發(fā)送電流調(diào)制的數(shù)據(jù)包。圖3以圖形示例性地示出在電感性信道時PSI5信號的失真。圖4以圖形示例性地示出在電容性信道時PSI5信號的失真。圖5以圖形根據(jù)信噪比示出位誤差率。圖6以四個圖形示出按照現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)該使信道失真的影響最小化的脈沖形成的比較。圖7以示意圖示出具有星形拓?fù)涞膫鞲衅骺偩€系統(tǒng)。圖8示出傳感器總線系統(tǒng)中的不同的傳輸信道。圖9示出在總線系統(tǒng)內(nèi)對于不同的信道脈沖應(yīng)答的例子。圖10示出具有自適應(yīng)修正器和不具有自適應(yīng)修正器的PSI5傳輸路段。圖11示出具有自適應(yīng)修正器的PSI5接收器的原理。圖12示出自適應(yīng)線性橫向修正器的原理。圖13以兩個圖形示出借助自適應(yīng)修正器對接收信號的信道失真的補償。圖14以電路圖示出具有量化反饋的非線性修正器。圖15示出修正器的適應(yīng)階段與PSI5幀結(jié)構(gòu)的耦合。圖16示出為PSI5接收數(shù)據(jù)控制修正器。圖17示出關(guān)于PSI5傳輸?shù)臅r間曲線對修正器系數(shù)組交換的控制。圖18示出用于交換修正器的系數(shù)組的電路。圖19示出具有修正器的PSI5接收器的可替代的基本結(jié)構(gòu)。圖20示出采樣間隔、數(shù)據(jù)-符號間隔和曼徹斯特編碼的位的間隔的定義。
具體實施例方式根據(jù)實施方式在附圖中示意示出本發(fā)明，并且下面參考附圖詳細(xì)說明。在圖I中描繪用于通過雙線接ロ進(jìn)行電流調(diào)制的數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)。該圖示示出電子控制單元或EOJ (electronic control unit) 10和傳感器12,所述傳感器包括ASIC140 E⑶10和傳感器12通過連接20或者線路彼此連接。箭頭16表示在E⑶接ロ處的電壓。另ー個箭頭18表示在傳感器接ロ處的電壓。其間以等效電路圖描繪連接20的總電阻。
PSI5接ロ使用電流調(diào)制的雙線傳輸技術(shù)，如這例如在圖I中所示。按照PSI5標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被曼徹斯特編碼。在此情況下，每一位(0或I)被調(diào)制到數(shù)據(jù)符號的組合低/聞或者尚/低。高或者低相位的持續(xù)時間在PSI5傳輸情況下標(biāo)稱地為4 U S，由此曼徹斯特編碼的數(shù)據(jù)的位周期持續(xù)8ms。這相應(yīng)于125kbit/s的數(shù)據(jù)速率?？商娲?，PSI5標(biāo)準(zhǔn)也允許53 u s的位周期，這相應(yīng)于189kbit/s的數(shù)據(jù)速率。PSI5數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)幀中被組織，其長度可以為11到33位。在數(shù)據(jù)幀之間存在停頓(Pausen)，其中不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。除異步傳輸模式外，PSI5還具有同步傳輸模式。在此情況下，控制設(shè)備傳輸電壓調(diào)制的脈沖，例如同步脈沖或“Sync脈沖”，其也可以稱為觸發(fā)脈沖，傳感器從其中推導(dǎo)出用于發(fā)送其數(shù)據(jù)幀的時間協(xié)調(diào)或者定時。在同步模式中PSI5還能夠?qū)崿F(xiàn)總線傳輸，因為總線的各個用戶能夠從同步脈沖推導(dǎo)出用于發(fā)送其數(shù)據(jù)的時間點。因為傳感器可能不具有高度準(zhǔn)確的時鐘作為時鐘脈沖發(fā)生器，所以傳感器的時基可能相對于控制設(shè)備的時基變化。這具有的結(jié)果是，傳感器發(fā)送其PSI5數(shù)據(jù)幀的時間點也可能相對于 控制設(shè)備的時基變化。在異步模式中發(fā)送器、例如傳感器或者執(zhí)行器自身發(fā)送數(shù)據(jù)。接收器，通常是控制設(shè)備，必須接收數(shù)據(jù)并且相應(yīng)地修正。因此接收器適應(yīng)于所接收的數(shù)據(jù)自身。圖2示出通過信號30觸發(fā)的PSI5數(shù)據(jù)傳輸，所述信號在同步傳輸?shù)那闆r下由控制設(shè)備輸出，并且所述信號傳輸同步脈沖32。以對同步脈沖固定的時間比定義時間窗ロ34，其中存在由傳感器發(fā)送的實際的PSI5數(shù)據(jù)幀36。為每ー傳感器可以編程PSI5數(shù)據(jù)幀36的標(biāo)稱開始時間38。被傳輸?shù)男盘柕恼穹拖辔坏木€性失真導(dǎo)致脈沖形狀改變和被展開的脈沖互相干擾。圖3和圖4示出被發(fā)送的曼徹斯特編碼的PSI5信號的例子和在接收器處的相應(yīng)的失真的脈沖。在圖3中在橫坐標(biāo)100處繪出以y s為單位的時間和在縱坐標(biāo)102處繪出以A為單位的電流。在該圖形中示出要傳輸?shù)男盘?04的曲線和通過傳輸(電感性信道)失真的信號106的曲線。在圖4中在橫坐標(biāo)120處繪出以U s為單位的時間和在縱坐標(biāo)122處繪出以A為単位的電流。在該圖形中示出要傳輸?shù)男盘?24的曲線和通過傳輸(電容性信道)失真的信號126的曲線。PSI5信號的失真非常強烈地取決于線路的長度和相應(yīng)布線。圖3和4中的例子示出所傳輸?shù)腜SI5信號的失真，其在點對點連接的情況下在線路和布線參數(shù)的在PSI5標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的容差的范圍內(nèi)完全可能。圖3和4表明，傳輸信號的失真導(dǎo)致傳輸質(zhì)量顯著變差。圖5根據(jù)圖3的傳輸信道的例子示出位誤差率可以如何由于信道失真而顯著升高。在此，在橫坐標(biāo)150處繪出以dB為單位的信噪比和在縱坐標(biāo)152處繪出在PSI5傳輸時位誤差概率。第一曲線154示出通過PSI5誤差識別檢測的誤差(理想信道)，第二曲線156示出所檢測的誤差(電感性信道)，第三曲線158示出未檢測的誤差(理想信道)，和第四曲線160示出未檢測的誤差(電感性信道)。雙箭頭162表示位誤差率由于信道失真的增長。
在實際應(yīng)用中在調(diào)制數(shù)字信號時代替具有大的帶寬的矩形脈沖更確切地說使用帶寬受限的脈沖，例如具有S形倒圓的邊沿的脈沖。這首先用于減少通過所述信號在高頻范圍內(nèi)的輻射。此外該造型或者成形具有能夠減少通過信道在許多可能的線路類型情況下引起的失真的優(yōu)點。為此圖6以四個圖形關(guān)于信道失真示出矩形脈沖和具有倒圓的邊沿(成形)的脈沖的傳輸?shù)谋容^。在此，分別在橫坐標(biāo)180處繪出以y s為單位的時間和在縱坐標(biāo)182處繪出信號電平。如圖6中的例子所示，雖然信道的影響可以通過信號的帶限制被減小，但是所接收的信號繼續(xù)失真。
在汽車技術(shù)中為在控制設(shè)備(EQJ electronic control unit (電子控制單元))和外圍單元(如傳感器或者執(zhí)行器)之間通信使用下面不同的線路拓?fù)?點對點連接 總線連接。在點對點連接的情況下，給每一外圍單元(傳感器、執(zhí)行器)為與控制設(shè)備通信而提供專用的線路。而在總線連接的情況下多個外圍単元(傳感器、執(zhí)行器)共享ー個到控制設(shè)備的線路連接。數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)的大的優(yōu)點在于能夠節(jié)省車輛中的線路。此外在控制設(shè)備處需要較少的數(shù)字接ロ。圖7示出具有星形拓?fù)涞膫鞲衅骺偩€系統(tǒng)的例子。該圖示示出具有ECU202的控制設(shè)備200、第一傳感器204、第二傳感器206和第n傳感器208。對于PSI5系統(tǒng)可選地對于點對點傳輸計劃通過簡單的總線拓?fù)鋫鬏?。然而所述總線拓?fù)涞娜秉c是，比在點對點連接的情況下引起強烈得多的信號失真。雖然在總線系統(tǒng)中不同的用戶(外圍單元)共享ー個物理傳輸線路，然而在每ー用戶和接收器之間的傳輸信道基本不同。圖8不出傳感器總線系統(tǒng)中的傳輸信道。在此不出控制設(shè)備220、第一傳感器222、第二傳感器224和第n傳感器226。相應(yīng)地可以看到第一傳輸信道230、第二傳輸信道232和第n傳輸信道234。該圖示示出，在每ー傳感器222、224、226和控制設(shè)備220之間存在不同的信道，它們也可以分別具有不同的信道脈沖應(yīng)答，如例如在圖9中所示。圖9示出在總線系統(tǒng)內(nèi)不同的信道脈沖應(yīng)答的例子。在此，在橫坐標(biāo)250處繪出以us為單位的時間和在縱坐標(biāo)252處繪出信號電平。該圖示示出對于具有不同線路拓?fù)浜托诺纻鬏敼δ艿牟煌诺赖男诺烂}沖應(yīng)答，這導(dǎo)致不同的失真。傳輸信道的線性失真可以在接收器處再次借助自適應(yīng)修正器取消，使得再次建立最初的發(fā)送信號。為此濾波所接收的信號，以便補償信道失真。修正器的自適應(yīng)濾波器在此可以自動地匹配于未知的或者變化的信道環(huán)境。自適應(yīng)修正器在通信技術(shù)中在很多線路連接的系統(tǒng)和無線系統(tǒng)中使用。然而在汽車技術(shù)中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下自適應(yīng)修正器迄今未被使用。對此的ー個可能的原因是自適應(yīng)修正器的使用以模數(shù)轉(zhuǎn)換器為前提，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有多個位的分辨率，而在汽車技術(shù)中當(dāng)前大多數(shù)被調(diào)制的(數(shù)字)接收信號借助簡單的并且適宜的I位比較器被轉(zhuǎn)換回其數(shù)字值。另ー個可能的原因在于，在迄今使用的頻率范圍和傳輸線路情況下失真尚未如此之大，以致用簡單的比較器解調(diào)即已足夠。
然而要注意的是，在PSI5傳輸?shù)那闆r下達(dá)到或者超過關(guān)于數(shù)據(jù)速率和線路拓?fù)涞臉O限，其中在無修正器的情況下能夠以小的誤差率傳輸。通過傳輸線路和布線的影響引起的PSI5信號的失真，如上述，可能導(dǎo)致傳輸質(zhì)量強烈地變差。通過所接收的信號的失真，信噪比變差，這導(dǎo)致傳輸誤差率升高。此外被展開的脈沖互相干擾，這稱為符號間干擾，并且同樣導(dǎo)致傳輸誤差。但是這些失真可以通過接收器處的簡單的修正器電路取消。PSI5系統(tǒng)中的自適應(yīng)修正器的使用與僅使用簡單的取樣比較器用于衡數(shù)轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)比較帶來顯著的優(yōu)點。修正器的使用的優(yōu)點對于PSI5系統(tǒng)來說特別在于 毫無問題地可以在較長的線路(> IOm)上傳輸。雖然信道失真隨線路長度增カロ，然而修正器能夠補償所述失真。 無限制地可以以高于125kbit/s的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行PSI5傳輸。因此能夠?qū)崿F(xiàn)以189kbit/s或者甚至250kbit/s的PSI5傳輸。通過接收信號的修正在高的數(shù)據(jù)速率的情況下也不產(chǎn)生符號間干擾。
能夠?qū)崿F(xiàn)總線拓?fù)?，因為修正器補償在此情況下產(chǎn)生的信道失真。 所使用的構(gòu)件的容差不遭受如此嚴(yán)格的要求，因為修正器匹配于未知的信道條件。這也適用于對于傳輸線路的要求。 通過關(guān)于盡可能小的輻射優(yōu)化發(fā)送信號的脈沖形成，能夠減低通過PSI5傳輸引起的輻射。修正器能夠把該經(jīng)磨平的脈沖再次轉(zhuǎn)換為矩形脈沖。在圖10中說明目前典型的具有取樣比較器的PSI5傳輸路段和具有在接收器處的自適應(yīng)修正器的PSI5傳輸路段之間原理區(qū)別。圖10示出典型的PSI5傳輸路段與具有自適應(yīng)修正器的PSI5傳輸路段的比較。在此，在左側(cè)示出傳感器270的區(qū)域，和在右側(cè)示出控制設(shè)備272的區(qū)域，其分別通過雙線連接274彼此連接。該圖在上部在傳感器270的區(qū)域中示出曼徹斯特編碼的信號276，其借助斜坡成形被調(diào)制278。在傳輸后，該信號在控制設(shè)備272中的取樣比較器中被采樣280。所檢測的符號在框282中表示。使所述符號經(jīng)受多數(shù)判決，使得存在在框284中表示的符號。在該圖示下部再次示出曼徹斯特編碼的信號290和其調(diào)制292。在控制設(shè)備272中用n位模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣294所接收的信號并且接著用自適應(yīng)修正器進(jìn)行修正296。然后在框298中表所檢測的符號。在典型的PSI5接收器中借助取樣比較器作出I位判決(電平0或I)。基于所述判決解碼曼徹斯特編碼的符號。在具有修正器的PSI5接收器中，利用多級n位模數(shù)轉(zhuǎn)換器把接收器信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)字。自適應(yīng)修正器是后隨判決器(0，I)的濾波器。自適應(yīng)修正器補償信道失真，使得濾波器輸出信號已經(jīng)(近似地)具有電平0或I。在圖11中以圖形方式概略地示出具有自適應(yīng)線性修正器的PSI5接收器的原理。在此，在第一圖形300中描繪接收的信號301的曲線，在第二圖形302中描繪ADC輸出信號的曲線、所采樣的接收信號303，和在第三圖形304中描繪自適應(yīng)濾波器的輸出信號的曲線。在下面示出各個處理級，亦即采樣裝置306、n位量化器308、自適應(yīng)濾波器310、判決器或者判決裝置312和曼徹斯特解碼器314。在實際的修正器實現(xiàn)中借助迭代方法得到自適應(yīng)濾波器的最優(yōu)的系數(shù)Ci。例如最小均方(LMS)算法是已知的用于(基于均方誤差準(zhǔn)則)優(yōu)化修正器系數(shù)的自適應(yīng)方法。
修正器系數(shù)的迭代優(yōu)化借助被最小化的誤差信號實現(xiàn)。誤差信號en是希望的修正器輸出信號an和實際的修正器輸出信號yn之間的差別。利用該誤差信號和修正器輸入數(shù)據(jù)矢量xn，如在下面的方程中所述的那樣，迭代地適配修正器系數(shù)
權(quán)利要求
1.用于處理經(jīng)由連接(20)傳輸?shù)牟⑶矣蓴?shù)字接口接收的信號(301)的方法，其中利用信號(301)傳輸各個數(shù)據(jù)幀(36)作為被調(diào)制的符號的序列，并且其中利用修正器(502)修正接收的信號(301)，其中被采樣的接收的信號(303)對于修正器(502)用作輸入信號，并且修正器(502)的適應(yīng)由協(xié)議控制地僅以確定的時間間隔進(jìn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，適應(yīng)階段由狀態(tài)機(500)開始和結(jié)束。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中，修正器(502)進(jìn)行接收的信號(301)的多倍采樣。
4.根據(jù)權(quán)利要求I到3之一所述的方法，其中，信號(301)經(jīng)由點對點連接傳輸。
5.根據(jù)權(quán)利要求I到3之一所述的方法，其中，信號(301)經(jīng)由總線系統(tǒng)傳輸，并且執(zhí)行至少一個自適應(yīng)濾波器(310、666、722)的系數(shù)組(514)的變換。
6.數(shù)字接口，特別用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求I到5之一所述的方法，所述數(shù)字接口具有修正器(502)，其中修正器(502)被構(gòu)造用于進(jìn)行接收的信號(301)的采樣以及修正器(502)的適應(yīng)由協(xié)議控制地僅以確定的時間間隔進(jìn)行。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的數(shù)字接口，其被構(gòu)造為用于電流調(diào)制的或者電壓調(diào)制的信號的接口。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的數(shù)字接口，其能夠利用觸發(fā)或者同步信號(32、542)監(jiān)控發(fā)送器的數(shù)據(jù)傳輸階段，由此能夠?qū)⑿拚?502)的運行狀態(tài)與發(fā)送器的數(shù)據(jù)傳輸階段耦口 ο
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的數(shù)字接口，其中，修正器(502)的運行狀態(tài)的順序從接收信號的數(shù)據(jù)傳輸階段推導(dǎo)出。
10.根據(jù)權(quán)利要求6到9之一所述的數(shù)字接口，其中，為修正器(502)的適應(yīng)設(shè)置狀態(tài)機(500)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于處理經(jīng)由連接傳輸?shù)牟⑶矣蓴?shù)字接口接收的信號的方法，其中利用所述信號傳輸各個數(shù)據(jù)幀作為被調(diào)制的符號的序列，并且其中利用修正器修正接收的信號，其中修正器對接收的信號進(jìn)行采樣，并且修正器的適應(yīng)由協(xié)議控制地僅以確定的時間間隔進(jìn)行。
文檔編號H03H21/00GK102761507SQ20121017904
公開日2012年10月31日 申請日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月21日
發(fā)明者D·德克 申請人:羅伯特·博世有限公司